降低高土壤电阻率地铁车站接地电阻的技术措施

2014-11-15滕小芳

电子测试 2014年3期

滕小芳

（中铁第一勘察设计院集团有限公司,陕西西安,710043）

0 引言

地铁车站的综合接地系统包括接地网、接地线、端子排等部分，是为满足强、弱电专业及其他非电气金属管道的接地要求设置的。其设置原则应保证人身安全、设备安全及正常运营，兼顾杂散电流腐蚀防护的要求。为满足变电所设备、弱电设备及其他需接地的车站设备对接地的要求，每个车站单独设置1个接地网，接地网的接地电阻不大于0.5Ω。

目前，地铁车站综合接地网均采用人工接地网的形式，即在车站底板下敷设相连接的垂直、水平接地线，形成综合接地网络。地铁车站接地网一般分段敷设，在阶段性施工结束后，对完工部分接地网进行接地电阻测量，以此推算出整体接地网的接地电阻值，如推算结果不能满足设计要求，则在其余部分中采取补救措施。这种做法对于接地网所处土层土壤电阻率较低的车站来说，是可行的。对于土壤电阻率较高的地下车站，则需在设计时确定降低接地电阻的具体措施，以降低施工风险，杜绝施工完毕后实测接地电阻值过高的问题。

本文以某城市地铁车站为例，探讨降低高土壤电阻率地铁车站的技术措施。

1 工程概况

该车站为地下暗挖车站，车站埋深23m,车站长度200m,宽度19.2m,为典型地铁车站。车站接地网处土层土壤电阻率ρ为275Ω·m。

2 车站接地电阻公式确定及分析

根据《工业与民用配电设计手册》，以水平接地网为主、边缘闭合的复合接地网的接地电阻计算公式为：（1）

式中：

d ——水平接地体的直径或等效直径，m；

h ——水平接地体的埋设深度，m；

L ——水平接地体的总长度，m；

ρ——接地网所处土层土壤电阻率，Ω·m。

拟定该车站水平接地极采用Φ18镀铜圆钢，其等效直径d=0.025434 m2；垂直接地极采用长度为2.5m的Φ17.2镀铜接地棒，埋深h=0.8 m。该车站的人工接地网面积约为3350m2，人工接地体总长度为1035 m，外圈接地体长度446m，垂直接地体相隔10m左右设置，共50根。

代入上述计算公式，公式（1）的计算结果为2.375Ω，公式（2）的计算结果为2.405Ω，其误差小于5%。

另通过对众多车站数据代入计算，公式（1）和公式（2）结果误差均小于5%，可认为用公式（2）作为地铁车站人工接地网接地电阻的计算公式是可行的。

由于接地电阻计算值为2.375Ω，远大于系统要求接地电阻值（0.5Ω），故该车站需采取降阻措施，以满足接地系统阻值要求。

3 降低地铁车站接地电阻方法分析

由公式（2）可知，人工接地网接地电阻仅与接地网包围面积S及土壤电阻率ρ有关，增大接地网包围面积或者降低土壤电阻率，均可降低土壤电阻率。因此，我们将降低车站电阻的着眼点置于这两者之上。

3.1 增大人工接地网面积

该地铁车站埋深23m,车站轮廓线确定了土建施工开挖范围，接地网包围面积S（m2）基本按车站外轮廓面计算，已为可实施范围的最大值，且车站围护桩结构较深（较接地网深5m左右），增大人工接地网面积的可能性不大。

3.2 降低土壤电阻率

常用的通过降低土壤电阻率来降低接地电阻的方法有外引接地极、深打接地极、换土、使用降阻剂、使用离子接地极等。

换土法是在水平接地体周围1～2m范围内，将原来土壤电阻率较高的土层置换成土壤电阻率较低的土层，施工难度较小。该城市周边有土壤电阻率较低的黏土，电阻率为30Ω·m，可以考虑用换土法降低接地网所在地层土壤电阻率，从而降低接地电阻。

降阻剂是一种良好的导电体，将它使用于接地体和土壤之间，一方面能够与金属接地体紧密接触，形成足够大的电流流通面，另一方面它能向周围土壤渗透，降低周围土壤电阻率，在接地体周围形成一个变化平缓的低电阻区域。降阻剂的填充范围不大，土方开挖量小，施工方便，造价经济。

离子接地极由缓释接地极（内含可逆性缓释填充剂）、引发剂和增效电解离子填充剂组成。接地导体外部的填充剂以具有强吸水力、强吸附力和阳离子交换性能高的材料为主体，主要用于解决接地导体周围的湿度、离子生成含量、防腐保护等问题，使导体与大地紧密结合，从而降低电极与土壤的接触电阻，改善周边土壤的电阻率。离子接地极效果显著，但目前市场上的离子接地极产品寿命为30年左右（受制于离子接地极内含可逆性缓释填充剂的释放时间），不满足地铁车站使用寿命。虽然厂家采用了缓释填充剂补充措施，使用年限有所延长。但鉴于地铁项目后期补充缓释填充剂难度很大，需要重新开挖垂直接地极敷设的土层，对埋深23m的车站来说十分困难。

3.3 换土法

局部置换地铁车站接地网所在地层的土壤，施工是可行的。

假设该车站换土法开挖地沟的梯形断面如图所示（一般情况下，L1约1.6m，L2约0.8m,H1一般为1.1～1.3m）：

图1 换土法示意

可推算得：

在课堂中的学习大多数都是理论知识的方面，教师通常在课堂中以授课为主，而学生在其中的参与很少，只是单纯进行听讲，因此教师很难保证学生在课堂当中的听课效率，也很容易让学生的实践与理论知识不能够很好结合，使学习得到巩固。因此，在开展一般的课堂之外，教师也要做到应用与学习相结合，通过开展相应的语文课外学习或者活动，来帮助教师弥补在课堂当中存在的缺陷，提高学生的学习能力和认识水平，让课堂学习变得更加有滋有味。

式中：

R1——人工接地沟的接地电阻，Ω；

d——水平接地体的直径或等效直径，m；

D——人工接地沟梯形断面的内切圆直径，m；

L ——水平接地体总长度，m；

根据分析，公式（3）在工程假设范围内，满足计算要求。

该车站原地层土壤电阻率为275Ω·m，拟置换土壤为周围地区土壤电阻率为30Ω·m的黏土，水平接地体的总长度1035 m，假设D=0.8m,即开挖深度为1.2m，L2=0.8m，将以上数据代入公式（3）。

可以求得R1=0.38Ω，满足接地电阻要求。

当D为等腰梯形内切圆直径时，梯形面积最小，可算得梯形的最小面积为0.452 m2，据此推算出此法需换土方量为468m3。

3.4 使用降阻剂

根据市场实际调查和工程经验，使用降阻剂，可使接地网的接地电阻降低30%～50%。根据接地电阻公式（2）计算结果可知，单纯使用降阻剂只能使部分接地电阻不太高的车站满足降阻要求。本文所举例车站，由于土壤电阻率较高，单纯使用降阻剂并不能使该车站接地网的接地电阻满足不大于0.5Ω的要求，需配合其他降阻方法使用。

降阻剂的施放示意图如下：

（1）垂直接地体：开挖沟槽并用钻孔机钻出孔径约为Φ150毫米的洞孔（深度等同垂直接地体长度，为2.5m），用深井泵或底部带有活门的管筒抽干孔洞内积水（防止浆料稀释），放入垂直接地体并与水平接地体焊接，最后将浆料充满整个降阻剂填充区。

（2）水平接地体：仅对接地网周边水平接地体施放降阻剂。首先开挖沟槽（0.12m*0.12m），抽干内部积水。其次敷设水平接地体并按要求与相邻接地体连接。最后向降阻剂填充区灌注降阻剂。

根据开挖水平沟槽及垂直钻孔尺寸（垂直钻孔数量同垂直接地体数量，该站为50处），可以算得使用降阻剂的剂量为17.11 m3。根据降阻剂密度（约1.3吨/ m3），折算为22吨降阻剂。

降阻剂的使用，除满足电阻率低、不易流失、性能稳定、易于吸收和保持水分、施工简便、经济合理等基本条件外，还应考虑其环保性能，禁止采用化学降阻剂，可采用由石墨、膨润土、导电水泥等成分组成的物理降阻剂。降阻剂的生产流程、工艺等应满足国家检测标准，生产过程无污染，产品不含铅、砷等有毒元素，对使用环境无污染。

3.5 换土法和降阻剂合用

由于该车站单纯使用降阻剂不能满足降阻要求，故可考虑采用换土法和降阻剂合用的方法来降低接地电阻。经计算，使用降阻剂22吨后，再采取换土法，需换土263 m3。

以该站为例，单独采用换土法时，土建接地系统所增加工程费用额与换土法和施放物理降阻剂合用所增加的工程费用额相差不大。

4 结语

采用换土法或者施放降阻剂的方法都可降低地下车站接地网的接地电阻。对于单独使用降阻剂即可满足接地电阻值的地铁车站，可采用施放物理降阻剂的方法降低接地电阻。经理论计算，使用降阻剂不能满足降阻要求的车站，应附加换土措施。由于换土需大量的低电阻率土壤，实际工程时，应核算开挖、运输土壤的工程造价，因地制宜地选择降阻措施。